Диализная трубка: принцип действия, применение и характеристики.

Введение

Трубка для диализа, также известная как трубка Вискинг, представляет собой искусственную полупроницаемую мембранную трубку, используемую в методах разделения, которая облегчает перемещение мелких молекул в растворе за счет дифференциальной диффузии. В исследованиях в области биологических наук трубки для диализа обычно применяются для очистки и обработки образцов белков и ДНК, а также сложных биологических образцов, таких как кровь или сыворотки. Трубки для диализа также часто используются в качестве учебного пособия для демонстрации принципов диффузии, осмоса, броуновского движения и транспорта молекул через барьерную мембрану. Подробную информацию о принципах и применении диализа в исследовательских целях см. в статье «Диализ (биохимия)».

История, свойства и состав

Диализ встречается в природе, и принципы диализа использовались людьми на протяжении тысячелетий с использованием естественных мембран животного или растительного происхождения. Термин «диализ» впервые стал регулярно использоваться в научных и медицинских целях в конце 1800-х – начале 1900-х годов, благодаря работам Томаса Грэма. Первые массово производимые искусственные мембраны, пригодные для диализа, появились в 1930-х годах и были изготовлены из материалов, используемых в пищевой упаковочной промышленности, таких как целлофан. В 1940-х годах Виллем Колф сконструировал первый диализатор (искусственную почку) и успешно лечил пациентов с почечной недостаточностью, используя диализ через полупроницаемые мембраны. Сегодня трубки для диализа в лабораторных условиях выпускаются в различных размерах и с разными пределами молекулярной массы (MWCO). Помимо трубок, диалитические мембраны также доступны в широком ассортименте готовых устройств, что значительно повышает эффективность и удобство использования диализа. Различные диалитические трубки или плоские мембраны производятся и характеризуются различными пределами молекулярной массы (MWCO) в диапазоне от 1 до 1 000 000 кДа. Определение MWCO является результатом количества и среднего размера пор, образующихся в процессе производства диалитической мембраны. MWCO обычно относится к наименьшей средней молекулярной массе стандартной молекулы, которая не будет эффективно диффундировать через мембрану при продолжительном диализе. Таким образом, диалитическая мембрана с MWCO 10 кДа обычно задерживает более 90% белка с молекулярной массой не менее 10 кДа. Размеры пор обычно варьируются от ~10 до 100 Ангстрем для мембран MWCO от 1 кДа до 50 кДа. Важно отметить, что MWCO мембраны не является строго определенным значением. Молекулы с массой, близкой к MWCO мембраны, будут диффундировать через мембрану медленнее, чем молекулы, значительно меньшие, чем MWCO. Для того чтобы молекула быстро диффундировала через мембрану, ее масса обычно должна быть в 20–50 раз меньше, чем номинальное значение MWCO мембраны. Поэтому нецелесообразно пытаться разделить белок 30 кДа от белка 10 кДа с помощью диализа через диалитическую мембрану с номиналом 20 кДа. Трубки для диализа лабораторного использования обычно изготавливаются из пленки регенерированной целлюлозы или целлюлозного эфира. Однако диалитические мембраны из полисульфона, полиэтерсульфона (PES), травленого поликарбоната или коллагена также широко используются для конкретных медицинских, пищевых или водоочистных целей.

Dialysis occurs throughout nature and the principles of dialysis have been exploited by humans for thousands of years using natural animal or plant based membranes. The term dialysis was first routinely used for scientific or medical purposes in the late 1800s and early 1900s, pioneered by the work of Thomas Graham. The first mass produced man made membranes suitable for dialysis were not available until the 1930s, based on materials used in the food packaging industry such as cellophane. In the 1940s, Willem Kolff constructed the first dialyzer (artificial kidney), and successfully treated patients with kidney failure using dialysis across semi permeable membranes. Today, dialysis tubing for laboratory applications comes in a variety of dimensions and molecular weight cutoffs (MWCO). In addition to tubing, dialysis membranes are also found in a wide range of different preformatted devices, significantly improving the performance and ease of use of dialysis. Different dialysis tubing or flat membranes are produced and characterized as differing molecular weight cutoffs (MWCO) ranging from 1–1,000,000 kDa. The MWCO determination is the result of the number and average size of the pores created during the production of the dialysis membrane. The MWCO typically refers to the smallest average molecular mass of a standard molecule that will not effectively diffuse across the membrane upon extended dialysis. Thus, a dialysis membrane with a 10K MWCO will generally retain >90% of a protein having a molecular mass of at least 10 kDa. Pore sizes typically range from ~10–100 Angstroms for 1K to 50K MWCO membranes. It is important to note that the MWCO of a membrane is not a sharply defined value. Molecules with mass near the MWCO of the membrane will diffuse across the membrane slower than molecules significantly smaller than the MWCO. In order for a molecule to rapidly diffuse across a membrane, it typically needs to be at least 20–50 times smaller than the membranes MWCO rating. Therefore, it is not practical to try separating a 30kDa protein from a 10kDa protein using dialysis across a 20K rated dialysis membrane. Dialysis tubing for laboratory use is typically made of a film of regenerated cellulose or cellulose ester. However; dialysis membranes made of polysulfone, polyethersulfone (PES), etched polycarbonate, or collagen are also extensively used for specific medical, food, or water treatment applications.

Производство

Мембраны, состоящие из регенерированной целлюлозы или целлюлозных эфиров, производятся посредством различных процессов модификации и сшивания целлюлозных волокон (получаемых из древесной массы или хлопковых волокон) для формирования пленок с различными свойствами и размерами пор. Вариации в производственном процессе существенно изменяют свойства и размеры пор пленок; в зависимости от введенных в целлюлозу сшивок, размер пор может регулироваться. Несмотря на схожий состав, большинство мембран на основе целлюлозы, производимых в настоящее время, не обязательно пригодны для диализа. Мембраны на основе целлюлозы также широко используются в различных областях, включая упаковку пищевых продуктов, кинопленку и "пластиковую" пленку. Для применения в диализе мембраны на основе регенерированной целлюлозы экструдируют в виде трубок или листов, а затем сушат. Глицерин часто добавляют в качестве увлажнителя для предотвращения растрескивания при сушке и поддержания необходимой структуры пор. Регенерированные целлюлозные мембраны очень гидрофильны и быстро гидратируются при контакте с водой. Благодаря дополнительному сшиванию, регенерированные целлюлозные мембраны обладают лучшей химической совместимостью и термостойкостью, чем мембраны из целлюлозных эфиров. Регенерированные целлюлозные мембраны более устойчивы к органическим растворителям, а также к слабым или разбавленным кислотам и щелочам, обычно используемым в протеомных и молекулярно-биологических исследованиях. Мембраны на основе целлюлозных эфиров обычно поставляются влажными и представлены в более широком диапазоне значений MWCO. Размеры пор, как правило, более однородны в мембранах на основе ацетата целлюлозы.